IChO 1980 · Theory problem 1
Photodissociation of chlorine and the quantum yield of the H2-Cl2 reaction
The dissociation of (molecular) chlorine is an endothermic process, \(\Delta H = 243.6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
The dissociation can also be attained by the effect of light.
1.1 At what wavelength can the dissociating effect of light be expected?
1.2 Can this effect also be obtained with light whose wavelength is smaller or larger than the calculated critical wavelength?
1.3 What is the energy of the photon with the critical wavelength?
When light that can effect the chlorine dissociation is incident on a mixture of gaseous chlorine and hydrogen, hydrogen chloride is formed. The mixture is irradiated with a mercury UV-lamp (\(\lambda = 253.6\ \mathrm{nm}\)). The lamp has a power input of 10 W. An amount of 2 % of the energy supplied is absorbed by the gas mixture (in a 10 litre vessel). Within 2.5 seconds of irradiation 65 millimoles of \(\ce{HCl}\) are formed.
1.4 How large is the quantum yield (= the number of product molecules per absorbed photons)?
1.5 How can the value obtained be (qualitatively) explained? Describe the reaction mechanism.
Official English text of the problem.
Answers
- 1.1 The critical wavelength is \(\boxed{\lambda_{\mathrm{crit}} = 491.1\ \mathrm{nm}}\), the maximum wavelength permitted by the dissociation-energy requirement.
- 1.2 Shorter wavelengths can cause dissociation if absorbed. Longer wavelengths cannot supply sufficient energy for single-photon dissociation.
- 1.3 \(\boxed{E_{\mathrm{crit}} = 4.045\times10^{-19}\ \mathrm{J}}\) per photon.
- 1.4 \(\boxed{\Phi \approx 6.1\times10^4}\) hydrogen chloride (
[H]Cl) molecules per absorbed photon. - 1.5 The reaction proceeds by a radical chain mechanism. Photodissociation initiates chains whose propagation repeatedly produces hydrogen chloride and regenerates the radical carriers. Radical recombination terminates the chains.
Solution
Use the standard constants \[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \] \[ N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}. \]
The chemical species used below are:
| Name | Formula | SMILES |
|---|---|---|
| Molecular chlorine | \(\ce{Cl2}\) | ClCl |
| Molecular hydrogen | \(\ce{H2}\) | [H][H] |
| Hydrogen chloride | \(\ce{HCl}\) | [H]Cl |
| Chlorine atom (chlorine radical) | \(\ce{Cl^{\bullet}}\) | [Cl] |
| Hydrogen atom (hydrogen radical) | \(\ce{H^{\bullet}}\) | [H] |
1.1 — Critical wavelength
The dissociation is \[ \ce{Cl2(g) -> 2Cl^{\bullet}(g)}. \]
Taking the given molar dissociation enthalpy as the required dissociation energy, one absorbed photon must supply at least \[ E_{\mathrm{diss}}=\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}}. \]
Since a photon has energy \(E=hc/\lambda\), the threshold satisfies \[ \frac{hc}{\lambda_{\mathrm{crit}}} =\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}}. \]
Therefore, \[ \lambda_{\mathrm{crit}} =\frac{N_{\mathrm A}hc}{\Delta H} =\frac{N_{\mathrm A}hc} {243.6\times10^3\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =4.91078\times10^{-7}\ \mathrm m. \]
Thus, \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{crit}}=491.1\ \mathrm{nm}}. \]
1.2 — Shorter and longer wavelengths
Photon energy is inversely proportional to wavelength: \[ E=\frac{hc}{\lambda}. \]
Consequently:
- For \(\lambda<\lambda_{\mathrm{crit}}\), a photon has more than the minimum dissociation energy. Dissociation is energetically possible, provided the photon is absorbed in a suitable transition.
- For \(\lambda>\lambda_{\mathrm{crit}}\), a photon has insufficient energy. It cannot dissociate the molecule in the single-photon process considered here.
1.3 — Energy of a critical-wavelength photon
\[ E_{\mathrm{crit}} =\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}} =\frac{243.6\times10^3\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}}. \]
Hence, \[ \boxed{E_{\mathrm{crit}}=4.045\times10^{-19}\ \mathrm J}. \]
1.4 — Quantum yield
The energy absorbed during irradiation is \[ Q_{\mathrm{abs}} =0.02Pt =0.02(10\ \mathrm{J\,s^{-1}})(2.5\ \mathrm s) =0.50\ \mathrm J. \]
At the lamp wavelength, the energy per photon is \[ E_{\mathrm{UV}} =\frac{hc}{253.6\times10^{-9}\ \mathrm m} =7.833\times10^{-19}\ \mathrm J. \]
The number of absorbed photons is therefore \[ N_{\mathrm{abs}} =\frac{Q_{\mathrm{abs}}}{E_{\mathrm{UV}}} =\frac{0.50}{7.833\times10^{-19}} =6.383\times10^{17}. \]
The number of hydrogen chloride molecules formed is \[ N_{\ce{HCl}} =n_{\ce{HCl}}N_{\mathrm A} =(65\times10^{-3}\ \mathrm{mol})N_{\mathrm A} =3.914\times10^{22}. \]
Using the definition in the question, \[ \Phi =\frac{N_{\ce{HCl}}}{N_{\mathrm{abs}}} =\frac{3.914\times10^{22}}{6.383\times10^{17}} =6.132\times10^4. \]
Thus, \[ \boxed{\Phi\approx6.1\times10^4 \ \text{hydrogen chloride molecules per absorbed photon}}. \]
The vessel volume is unnecessary because the calculation uses total absorbed energy and total product amount.
1.5 — Explanation and reaction mechanism
The very large quantum yield shows that one absorbed photon leads to many product-forming reactions through a radical chain.
Initiation: \[ \ce{Cl2 ->[h\nu] 2Cl^{\bullet}}. \]
Light causes homolytic cleavage of the chlorine–chlorine bond: one bonding electron goes to each chlorine atom.
Propagation: \[ \ce{Cl^{\bullet} + H2 -> HCl + H^{\bullet}}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + Cl2 -> HCl + Cl^{\bullet}}. \]
First, a chlorine radical abstracts a hydrogen atom from molecular hydrogen. The resulting hydrogen radical then abstracts a chlorine atom from molecular chlorine.
In each abstraction, the incoming radical’s unpaired electron and one electron from the broken bond form the new bond; the other bond electron remains on the atom released as a radical. These electron movements are not depicted by the SMILES.
Adding the two propagation steps gives \[ \boxed{\ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}}. \]
The chlorine radical is regenerated, so this cycle can repeat many times without another photon.
Termination: radicals are removed by recombination, for example, \[ \ce{Cl^{\bullet} + Cl^{\bullet} + M -> Cl2 + M}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + Cl^{\bullet} + M -> HCl + M}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + H^{\bullet} + M -> H2 + M}. \]
Here \(\ce{M}\) denotes a third collision partner that carries away excess energy. Radicals may also be lost at the vessel walls.
Because propagation occurs many times before termination, approximately \(6.1\times10^4\) hydrogen chloride molecules can be formed per absorbed photon. The photon initiates the chain; the overall exothermic chemical reaction supplies the energy released during its continuation.
The solution was checked against the official solution. Where this solution differs from the official solution, the official solution contains an error or a misprint.
IChO 1980 · Theorieaufgabe 1
Photodissoziation von Chlor und die Quantenausbeute der H2-Cl2-Reaktion
Die Dissoziation von (molekularem) Chlor ist ein endothermer Vorgang, \(\Delta H = 243.6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
Die Dissoziation kann auch durch die Einwirkung von Licht erreicht werden.
1.1 Bei welcher Wellenlänge ist die dissoziierende Wirkung des Lichts zu erwarten?
1.2 Kann diese Wirkung auch mit Licht erzielt werden, dessen Wellenlänge kleiner oder größer als die berechnete Grenzwellenlänge ist?
1.3 Welche Energie hat ein Photon mit der Grenzwellenlänge?
Trifft Licht, das die Dissoziation von Chlor bewirken kann, auf ein Gemisch aus gasförmigem Chlor und Wasserstoff, so entsteht Chlorwasserstoff. Das Gemisch wird mit einer Quecksilber-UV-Lampe (\(\lambda = 253.6\ \mathrm{nm}\)) bestrahlt. Die Lampe hat eine Leistungsaufnahme von 10 W. Das Gasgemisch (in einem 10-Liter-Gefäß) absorbiert 2 % der zugeführten Energie. Innerhalb von 2.5 Sekunden Bestrahlungsdauer entstehen 65 Millimol \(\ce{HCl}\).
1.4 Wie groß ist die Quantenausbeute (= die Anzahl der Produktmoleküle pro absorbiertem Photon)?
1.5 Wie lässt sich der erhaltene Wert (qualitativ) erklären? Beschreiben Sie den Reaktionsmechanismus.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 1.1 Die Grenzwellenlänge beträgt \(\boxed{\lambda_{\mathrm{crit}} = 491.1\ \mathrm{nm}}\); dies ist die größte Wellenlänge, bei der die erforderliche Dissoziationsenergie noch bereitgestellt werden kann.
- 1.2 Kürzere Wellenlängen können bei Absorption eine Dissoziation bewirken. Längere Wellenlängen können nicht genügend Energie für eine Einphotonendissoziation liefern.
- 1.3 \(\boxed{E_{\mathrm{crit}} = 4.045\times10^{-19}\ \mathrm{J}}\) pro Photon.
- 1.4 \(\boxed{\Phi \approx 6.1\times10^4}\) Chlorwasserstoffmoleküle (
[H]Cl) pro absorbiertem Photon. - 1.5 Die Reaktion verläuft über einen radikalischen Kettenmechanismus. Die Photodissoziation initiiert Ketten, deren Fortpflanzung wiederholt Chlorwasserstoff erzeugt und die radikalischen Kettenträger regeneriert. Die Rekombination von Radikalen beendet die Ketten.
Lösung
Wir verwenden die Standardkonstanten \[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \] \[ N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}. \]
Die im Folgenden verwendeten chemischen Spezies sind:
| Name | Formel | SMILES |
|---|---|---|
| Molekulares Chlor | \(\ce{Cl2}\) | ClCl |
| Molekularer Wasserstoff | \(\ce{H2}\) | [H][H] |
| Chlorwasserstoff | \(\ce{HCl}\) | [H]Cl |
| Chloratom (Chlorradikal) | \(\ce{Cl^{\bullet}}\) | [Cl] |
| Wasserstoffatom (Wasserstoffradikal) | \(\ce{H^{\bullet}}\) | [H] |
1.1 — Grenzwellenlänge
Die Dissoziation lautet \[ \ce{Cl2(g) -> 2Cl^{\bullet}(g)}. \]
Setzt man die angegebene molare Dissoziationsenthalpie als erforderliche Dissoziationsenergie an, so muss ein absorbiertes Photon mindestens die Energie \[ E_{\mathrm{diss}}=\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}} \] liefern.
Da ein Photon die Energie \(E=hc/\lambda\) besitzt, gilt an der Schwelle \[ \frac{hc}{\lambda_{\mathrm{crit}}} =\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}}. \]
Daher ist \[ \lambda_{\mathrm{crit}} =\frac{N_{\mathrm A}hc}{\Delta H} =\frac{N_{\mathrm A}hc} {243.6\times10^3\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =4.91078\times10^{-7}\ \mathrm m. \]
Somit gilt \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{crit}}=491.1\ \mathrm{nm}}. \]
1.2 — Kürzere und längere Wellenlängen
Die Photonenenergie ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge: \[ E=\frac{hc}{\lambda}. \]
Daraus folgt:
- Für \(\lambda<\lambda_{\mathrm{crit}}\) besitzt ein Photon mehr als die Mindestenergie für die Dissoziation. Die Dissoziation ist energetisch möglich, sofern das Photon bei einem geeigneten Übergang absorbiert wird.
- Für \(\lambda>\lambda_{\mathrm{crit}}\) besitzt ein Photon nicht genügend Energie. Es kann das Molekül im hier betrachteten Einphotonenprozess nicht dissoziieren.
1.3 — Energie eines Photons mit der Grenzwellenlänge
\[ E_{\mathrm{crit}} =\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}} =\frac{243.6\times10^3\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}}. \]
Damit ergibt sich \[ \boxed{E_{\mathrm{crit}}=4.045\times10^{-19}\ \mathrm J}. \]
1.4 — Quantenausbeute
Die während der Bestrahlung absorbierte Energie beträgt \[ Q_{\mathrm{abs}} =0.02Pt =0.02(10\ \mathrm{J\,s^{-1}})(2.5\ \mathrm s) =0.50\ \mathrm J. \]
Bei der Wellenlänge der Lampe beträgt die Energie pro Photon \[ E_{\mathrm{UV}} =\frac{hc}{253.6\times10^{-9}\ \mathrm m} =7.833\times10^{-19}\ \mathrm J. \]
Die Anzahl der absorbierten Photonen beträgt daher \[ N_{\mathrm{abs}} =\frac{Q_{\mathrm{abs}}}{E_{\mathrm{UV}}} =\frac{0.50}{7.833\times10^{-19}} =6.383\times10^{17}. \]
Die Anzahl der gebildeten Chlorwasserstoffmoleküle beträgt \[ N_{\ce{HCl}} =n_{\ce{HCl}}N_{\mathrm A} =(65\times10^{-3}\ \mathrm{mol})N_{\mathrm A} =3.914\times10^{22}. \]
Mit der Definition aus der Aufgabenstellung ergibt sich \[ \Phi =\frac{N_{\ce{HCl}}}{N_{\mathrm{abs}}} =\frac{3.914\times10^{22}}{6.383\times10^{17}} =6.132\times10^4. \]
Somit gilt \[ \boxed{\Phi\approx6.1\times10^4 \ \text{Chlorwasserstoffmoleküle pro absorbiertem Photon}}. \]
Das Gefäßvolumen wird nicht benötigt, da die Berechnung die insgesamt absorbierte Energie und die gesamte Stoffmenge des Produkts verwendet.
1.5 — Erklärung und Reaktionsmechanismus
Die sehr große Quantenausbeute zeigt, dass ein absorbiertes Photon über eine radikalische Kettenreaktion zu vielen produktbildenden Reaktionen führt.
Kettenstart: \[ \ce{Cl2 ->[h\nu] 2Cl^{\bullet}}. \]
Licht bewirkt die homolytische Spaltung der Chlor–Chlor-Bindung: Jedes Chloratom erhält ein Bindungselektron.
Kettenfortpflanzung: \[ \ce{Cl^{\bullet} + H2 -> HCl + H^{\bullet}}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + Cl2 -> HCl + Cl^{\bullet}}. \]
Zunächst abstrahiert ein Chlorradikal ein Wasserstoffatom aus molekularem Wasserstoff. Das dabei entstehende Wasserstoffradikal abstrahiert anschließend ein Chloratom aus molekularem Chlor.
Bei jeder Abstraktion bilden das ungepaarte Elektron des angreifenden Radikals und ein Elektron der gespaltenen Bindung die neue Bindung; das andere Bindungselektron verbleibt an dem Atom, das als Radikal freigesetzt wird. Diese Elektronenverschiebungen werden durch die SMILES nicht dargestellt.
Die Addition der beiden Kettenfortpflanzungsschritte ergibt \[ \boxed{\ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}}. \]
Das Chlorradikal wird regeneriert, sodass sich dieser Zyklus ohne ein weiteres Photon viele Male wiederholen kann.
Kettenabbruch: Radikale werden durch Rekombination entfernt, zum Beispiel \[ \ce{Cl^{\bullet} + Cl^{\bullet} + M -> Cl2 + M}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + Cl^{\bullet} + M -> HCl + M}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + H^{\bullet} + M -> H2 + M}. \]
Hier bezeichnet \(\ce{M}\) einen dritten Stoßpartner, der überschüssige Energie abführt. Radikale können auch an den Gefäßwänden verloren gehen.
Da die Kettenfortpflanzung vor dem Kettenabbruch viele Male abläuft, können pro absorbiertem Photon etwa \(6.1\times10^4\) Chlorwasserstoffmoleküle gebildet werden. Das Photon initiiert die Kette; die insgesamt exotherme chemische Reaktion liefert die Energie, die während ihrer Fortsetzung freigesetzt wird.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen. Wo diese Lösung von der offiziellen Lösung abweicht, enthält die offizielle Lösung einen Fehler oder Druckfehler.
IChO 1980 · Teori sorusu 1
Klorun fotoayrışması ve H2-Cl2 tepkimesinin kuantum verimi
(Moleküler) klorun ayrışması endotermik bir süreçtir, \(\Delta H = 243.6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
Ayrışma, ışığın etkisiyle de gerçekleştirilebilir.
1.1 Işığın ayrıştırıcı etkisi hangi dalga boyunda beklenebilir?
1.2 Bu etki, dalga boyu hesaplanan kritik dalga boyundan daha küçük veya daha büyük olan ışıkla da elde edilebilir mi?
1.3 Kritik dalga boyuna sahip fotonun enerjisi nedir?
Klorun ayrışmasını sağlayabilen ışık, gaz hâlindeki klor ve hidrojen karışımına düştüğünde hidrojen klorür oluşur. Karışım, bir cıvalı UV lambasıyla (\(\lambda = 253.6\ \mathrm{nm}\)) ışınlanır. Lambanın giriş gücü 10 W'tır. Sağlanan enerjinin % 2'si gaz karışımı tarafından (10 litrelik bir kapta) soğurulur. 2.5 saniyelik ışınlama süresinde 65 milimol \(\ce{HCl}\) oluşur.
1.4 Kuantum verimi (= soğurulan foton başına oluşan ürün molekülü sayısı) ne kadardır?
1.5 Elde edilen değer (nitel olarak) nasıl açıklanabilir? Tepkime mekanizmasını açıklayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 1.1 Kritik dalga boyu \(\boxed{\lambda_{\mathrm{crit}} = 491.1\ \mathrm{nm}}\) olup ayrışma enerjisi gereksiniminin izin verdiği en büyük dalga boyudur.
- 1.2 Daha kısa dalga boyları, soğurulmaları hâlinde ayrışmaya neden olabilir. Daha uzun dalga boyları, tek fotonla ayrışma için yeterli enerjiyi sağlayamaz.
- 1.3 Foton başına \(\boxed{E_{\mathrm{crit}} = 4.045\times10^{-19}\ \mathrm{J}}\).
- 1.4 Soğurulan foton başına \(\boxed{\Phi \approx 6.1\times10^4}\) hidrojen klorür (
[H]Cl) molekülü. - 1.5 Tepkime, radikal zincir mekanizmasıyla ilerler. Fotoayrışma, ilerleme basamaklarında tekrar tekrar hidrojen klorür üretilen ve radikal taşıyıcıların yeniden oluştuğu zincirleri başlatır. Radikallerin yeniden birleşmesi zincirleri sonlandırır.
Çözüm
Standart sabitleri kullanalım: \[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \] \[ N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}. \]
Aşağıda kullanılan kimyasal türler şunlardır:
| Adı | Formül | SMILES |
|---|---|---|
| Moleküler klor | \(\ce{Cl2}\) | ClCl |
| Moleküler hidrojen | \(\ce{H2}\) | [H][H] |
| Hidrojen klorür | \(\ce{HCl}\) | [H]Cl |
| Klor atomu (klor radikali) | \(\ce{Cl^{\bullet}}\) | [Cl] |
| Hidrojen atomu (hidrojen radikali) | \(\ce{H^{\bullet}}\) | [H] |
1.1 — Kritik dalga boyu
Ayrışma tepkimesi şöyledir: \[ \ce{Cl2(g) -> 2Cl^{\bullet}(g)}. \]
Verilen molar ayrışma entalpisini gerekli ayrışma enerjisi olarak alırsak, soğurulan bir foton en az şu enerjiyi sağlamalıdır: \[ E_{\mathrm{diss}}=\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}}. \]
Bir fotonun enerjisi \(E=hc/\lambda\) olduğundan, eşik koşulu şu eşitliği sağlar: \[ \frac{hc}{\lambda_{\mathrm{crit}}} =\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}}. \]
Dolayısıyla, \[ \lambda_{\mathrm{crit}} =\frac{N_{\mathrm A}hc}{\Delta H} =\frac{N_{\mathrm A}hc} {243.6\times10^3\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =4.91078\times10^{-7}\ \mathrm m. \]
Böylece, \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{crit}}=491.1\ \mathrm{nm}}. \]
1.2 — Daha kısa ve daha uzun dalga boyları
Foton enerjisi dalga boyuyla ters orantılıdır: \[ E=\frac{hc}{\lambda}. \]
Buna göre:
- \(\lambda<\lambda_{\mathrm{crit}}\) için bir foton, en düşük ayrışma enerjisinden daha fazla enerjiye sahiptir. Fotonun uygun bir geçişte soğurulması koşuluyla ayrışma enerji açısından mümkündür.
- \(\lambda>\lambda_{\mathrm{crit}}\) için bir fotonun enerjisi yetersizdir. Burada ele alınan tek fotonlu süreçte molekülü ayrıştıramaz.
1.3 — Kritik dalga boyuna sahip bir fotonun enerjisi
\[ E_{\mathrm{crit}} =\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}} =\frac{243.6\times10^3\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}}. \]
Buradan, \[ \boxed{E_{\mathrm{crit}}=4.045\times10^{-19}\ \mathrm J}. \]
1.4 — Kuantum verimi
Işınlama sırasında soğurulan enerji şöyledir: \[ Q_{\mathrm{abs}} =0.02Pt =0.02(10\ \mathrm{J\,s^{-1}})(2.5\ \mathrm s) =0.50\ \mathrm J. \]
Lambanın dalga boyunda foton başına enerji şöyledir: \[ E_{\mathrm{UV}} =\frac{hc}{253.6\times10^{-9}\ \mathrm m} =7.833\times10^{-19}\ \mathrm J. \]
Dolayısıyla soğurulan foton sayısı şöyledir: \[ N_{\mathrm{abs}} =\frac{Q_{\mathrm{abs}}}{E_{\mathrm{UV}}} =\frac{0.50}{7.833\times10^{-19}} =6.383\times10^{17}. \]
Oluşan hidrojen klorür moleküllerinin sayısı şöyledir: \[ N_{\ce{HCl}} =n_{\ce{HCl}}N_{\mathrm A} =(65\times10^{-3}\ \mathrm{mol})N_{\mathrm A} =3.914\times10^{22}. \]
Sorudaki tanımı kullanarak, \[ \Phi =\frac{N_{\ce{HCl}}}{N_{\mathrm{abs}}} =\frac{3.914\times10^{22}}{6.383\times10^{17}} =6.132\times10^4. \]
Böylece, \[ \boxed{\Phi\approx6.1\times10^4 \ \text{soğurulan foton başına hidrojen klorür molekülü}}. \]
Hesaplamada soğurulan toplam enerji ve toplam ürün miktarı kullanıldığından kap hacmine gerek yoktur.
1.5 — Açıklama ve tepkime mekanizması
Kuantum veriminin çok büyük olması, soğurulan bir fotonun bir radikal zinciri aracılığıyla ürün oluşturan çok sayıda tepkimeye yol açtığını gösterir.
Başlama: \[ \ce{Cl2 ->[h\nu] 2Cl^{\bullet}}. \]
Işık, klor–klor bağının homolitik olarak kırılmasına neden olur: her klor atomuna bir bağ elektronu gider.
İlerleme: \[ \ce{Cl^{\bullet} + H2 -> HCl + H^{\bullet}}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + Cl2 -> HCl + Cl^{\bullet}}. \]
Önce bir klor radikali, moleküler hidrojenden bir hidrojen atomu koparır. Ardından oluşan hidrojen radikali, moleküler klordan bir klor atomu koparır.
Her atom koparma adımında, gelen radikalin eşleşmemiş elektronu ile kırılan bağdaki bir elektron yeni bağı oluşturur; bağın diğer elektronu ise radikal olarak serbest kalan atomda kalır. Bu elektron hareketleri SMILES gösterimlerinde betimlenmez.
İki ilerleme basamağının toplanmasıyla şu tepkime elde edilir: \[ \boxed{\ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}}. \]
Klor radikali yeniden oluştuğu için bu döngü, başka bir fotona gerek olmadan çok kez tekrarlanabilir.
Sonlanma: Radikaller yeniden birleşerek ortamdan uzaklaşır; örneğin, \[ \ce{Cl^{\bullet} + Cl^{\bullet} + M -> Cl2 + M}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + Cl^{\bullet} + M -> HCl + M}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + H^{\bullet} + M -> H2 + M}. \]
Burada \(\ce{M}\), fazla enerjiyi uzaklaştıran üçüncü bir çarpışma ortağını belirtir. Radikaller kap duvarlarında da kaybolabilir.
Sonlanmadan önce ilerleme çok kez gerçekleştiğinden, soğurulan foton başına yaklaşık \(6.1\times10^4\) hidrojen klorür molekülü oluşabilir. Foton zinciri başlatır; zincirin devamı sırasında açığa çıkan enerjiyi, toplamda ekzotermik olan kimyasal tepkime sağlar.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi. Bu çözümün resmi çözümden ayrıldığı yerlerde resmi çözümde bir hata ya da baskı hatası vardır.
IChO 1980 · Problema teórico 1
Fotodisociación del cloro y rendimiento cuántico de la reacción H2-Cl2
La disociación del cloro (molecular) es un proceso endotérmico, \(\Delta H = 243.6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
La disociación también puede lograrse por efecto de la luz.
1.1 ¿A qué longitud de onda cabe esperar que la luz provoque la disociación?
1.2 ¿Puede obtenerse también este efecto con luz cuya longitud de onda sea menor o mayor que la longitud de onda crítica calculada?
1.3 ¿Cuál es la energía del fotón con la longitud de onda crítica?
Cuando sobre una mezcla de cloro e hidrógeno gaseosos incide luz capaz de provocar la disociación del cloro, se forma cloruro de hidrógeno. La mezcla se irradia con una lámpara UV de mercurio (\(\lambda = 253.6\ \mathrm{nm}\)). La lámpara consume una potencia de 10 W. La mezcla gaseosa (en un recipiente de 10 litros) absorbe el 2 % de la energía suministrada. En 2.5 segundos de irradiación se forman 65 milimoles de \(\ce{HCl}\).
1.4 ¿Cuál es el rendimiento cuántico (= el número de moléculas de producto por fotón absorbido)?
1.5 ¿Cómo puede explicarse (cualitativamente) el valor obtenido? Describa el mecanismo de reacción.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 1.1 La longitud de onda crítica es \(\boxed{\lambda_{\mathrm{crit}} = 491.1\ \mathrm{nm}}\), la longitud de onda máxima permitida por el requisito de energía de disociación.
- 1.2 Las longitudes de onda más cortas pueden provocar la disociación si se absorbe la luz. Las longitudes de onda más largas no pueden aportar energía suficiente para la disociación por un solo fotón.
- 1.3 \(\boxed{E_{\mathrm{crit}} = 4.045\times10^{-19}\ \mathrm{J}}\) por fotón.
- 1.4 \(\boxed{\Phi \approx 6.1\times10^4}\) moléculas de cloruro de hidrógeno (
[H]Cl) por fotón absorbido. - 1.5 La reacción transcurre mediante un mecanismo radicalario en cadena. La fotodisociación inicia cadenas cuya propagación produce repetidamente cloruro de hidrógeno y regenera los radicales portadores de la cadena. La recombinación de radicales termina las cadenas.
Solución
Se utilizan las constantes estándar \[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \] \[ N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}. \]
Las especies químicas utilizadas a continuación son:
| Nombre | Fórmula | SMILES |
|---|---|---|
| Cloro molecular | \(\ce{Cl2}\) | ClCl |
| Hidrógeno molecular | \(\ce{H2}\) | [H][H] |
| Cloruro de hidrógeno | \(\ce{HCl}\) | [H]Cl |
| Átomo de cloro (radical cloro) | \(\ce{Cl^{\bullet}}\) | [Cl] |
| Átomo de hidrógeno (radical hidrógeno) | \(\ce{H^{\bullet}}\) | [H] |
1.1 — Longitud de onda crítica
La disociación es \[ \ce{Cl2(g) -> 2Cl^{\bullet}(g)}. \]
Tomando la entalpía molar de disociación dada como la energía de disociación necesaria, un fotón absorbido debe aportar al menos \[ E_{\mathrm{diss}}=\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}}. \]
Como un fotón tiene una energía \(E=hc/\lambda\), el umbral satisface \[ \frac{hc}{\lambda_{\mathrm{crit}}} =\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}}. \]
Por tanto, \[ \lambda_{\mathrm{crit}} =\frac{N_{\mathrm A}hc}{\Delta H} =\frac{N_{\mathrm A}hc} {243.6\times10^3\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =4.91078\times10^{-7}\ \mathrm m. \]
Así, \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{crit}}=491.1\ \mathrm{nm}}. \]
1.2 — Longitudes de onda más cortas y más largas
La energía del fotón es inversamente proporcional a la longitud de onda: \[ E=\frac{hc}{\lambda}. \]
En consecuencia:
- Para \(\lambda<\lambda_{\mathrm{crit}}\), un fotón tiene una energía superior a la energía mínima de disociación. La disociación es energéticamente posible, siempre que el fotón se absorba en una transición adecuada.
- Para \(\lambda>\lambda_{\mathrm{crit}}\), un fotón tiene una energía insuficiente. No puede disociar la molécula mediante el proceso de un solo fotón considerado aquí.
1.3 — Energía de un fotón de longitud de onda crítica
\[ E_{\mathrm{crit}} =\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}} =\frac{243.6\times10^3\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}}. \]
Por consiguiente, \[ \boxed{E_{\mathrm{crit}}=4.045\times10^{-19}\ \mathrm J}. \]
1.4 — Rendimiento cuántico
La energía absorbida durante la irradiación es \[ Q_{\mathrm{abs}} =0.02Pt =0.02(10\ \mathrm{J\,s^{-1}})(2.5\ \mathrm s) =0.50\ \mathrm J. \]
A la longitud de onda de la lámpara, la energía por fotón es \[ E_{\mathrm{UV}} =\frac{hc}{253.6\times10^{-9}\ \mathrm m} =7.833\times10^{-19}\ \mathrm J. \]
El número de fotones absorbidos es, por tanto, \[ N_{\mathrm{abs}} =\frac{Q_{\mathrm{abs}}}{E_{\mathrm{UV}}} =\frac{0.50}{7.833\times10^{-19}} =6.383\times10^{17}. \]
El número de moléculas de cloruro de hidrógeno formadas es \[ N_{\ce{HCl}} =n_{\ce{HCl}}N_{\mathrm A} =(65\times10^{-3}\ \mathrm{mol})N_{\mathrm A} =3.914\times10^{22}. \]
Utilizando la definición del enunciado, \[ \Phi =\frac{N_{\ce{HCl}}}{N_{\mathrm{abs}}} =\frac{3.914\times10^{22}}{6.383\times10^{17}} =6.132\times10^4. \]
Así, \[ \boxed{\Phi\approx6.1\times10^4 \ \text{moléculas de cloruro de hidrógeno por fotón absorbido}}. \]
El volumen del recipiente no es necesario porque el cálculo utiliza la energía total absorbida y la cantidad total de producto.
1.5 — Explicación y mecanismo de reacción
El rendimiento cuántico tan elevado muestra que un fotón absorbido da lugar a muchas reacciones de formación de producto a través de una cadena radicalaria.
Iniciación: \[ \ce{Cl2 ->[h\nu] 2Cl^{\bullet}}. \]
La luz provoca la ruptura homolítica del enlace cloro–cloro: cada átomo de cloro recibe uno de los electrones del enlace.
Propagación: \[ \ce{Cl^{\bullet} + H2 -> HCl + H^{\bullet}}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + Cl2 -> HCl + Cl^{\bullet}}. \]
Primero, un radical cloro abstrae un átomo de hidrógeno del hidrógeno molecular. A continuación, el radical hidrógeno resultante abstrae un átomo de cloro del cloro molecular.
En cada abstracción, el electrón desapareado del radical que ataca y un electrón del enlace que se rompe forman el nuevo enlace; el otro electrón del enlace permanece en el átomo que se libera como radical. Estos movimientos de electrones no se representan mediante los SMILES.
Al sumar las dos etapas de propagación se obtiene \[ \boxed{\ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}}. \]
El radical cloro se regenera, por lo que este ciclo puede repetirse muchas veces sin otro fotón.
Terminación: los radicales se eliminan por recombinación, por ejemplo, \[ \ce{Cl^{\bullet} + Cl^{\bullet} + M -> Cl2 + M}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + Cl^{\bullet} + M -> HCl + M}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + H^{\bullet} + M -> H2 + M}. \]
Aquí, \(\ce{M}\) representa un tercer cuerpo que participa en la colisión y se lleva el exceso de energía. Los radicales también pueden perderse en las paredes del recipiente.
Como la propagación se produce muchas veces antes de la terminación, pueden formarse aproximadamente \(6.1\times10^4\) moléculas de cloruro de hidrógeno por fotón absorbido. El fotón inicia la cadena; la reacción química global exotérmica aporta la energía liberada durante su continuación.
La solución se comprobó con la solución oficial. Donde esta solución difiere de la solución oficial, la solución oficial contiene un error o una errata.
IChO 1980 · 理论题 1
氯气的光解离与 H2-Cl2 反应的量子产率
氯气(分子)的解离是一个吸热过程,\(\Delta H = 243.6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)。
光的作用也可以使氯气发生解离。
1.1 预计在什么波长下,光能够引起解离?
1.2 波长小于或大于所计算的临界波长的光,是否也能产生这种作用?
1.3 具有临界波长的光子的能量是多少?
当能够引起氯气解离的光照射到氯气和氢气的混合物上时,会生成氯化氢。用汞紫外灯(\(\lambda = 253.6\ \mathrm{nm}\))照射该混合物。灯的输入功率为 10 W。所供能量的 2 % 被气体混合物(置于一个 10 升的容器中)吸收。照射 2.5 秒内生成了 65 毫摩尔的 \(\ce{HCl}\)。
1.4 量子产率(= 产物分子数与吸收的光子数之比)是多少?
1.5 如何(定性地)解释所得到的数值?描述反应机理。
题目译自官方英文原文。
答案
- 1.1 临界波长为 \(\boxed{\lambda_{\mathrm{crit}} = 491.1\ \mathrm{nm}}\),这是满足解离能要求所允许的最大波长。
- 1.2 较短波长的光若被吸收,就能引起解离。较长波长的光无法为单光子解离提供足够的能量。
- 1.3 每个光子的能量为 \(\boxed{E_{\mathrm{crit}} = 4.045\times10^{-19}\ \mathrm{J}}\)。
- 1.4 每吸收一个光子生成 \(\boxed{\Phi \approx 6.1\times10^4}\) 个氯化氢(
[H]Cl)分子。 - 1.5 反应按自由基链式机理进行。光解离引发链反应,链增长过程反复生成氯化氢,并使作为链载体的自由基再生。自由基复合使链终止。
解答
使用标准常数 \[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \] \[ N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}. \]
下文涉及的化学物种如下:
| 名称 | 化学式 | SMILES |
|---|---|---|
| 氯分子 | \(\ce{Cl2}\) | ClCl |
| 氢分子 | \(\ce{H2}\) | [H][H] |
| 氯化氢 | \(\ce{HCl}\) | [H]Cl |
| 氯原子(氯自由基) | \(\ce{Cl^{\bullet}}\) | [Cl] |
| 氢原子(氢自由基) | \(\ce{H^{\bullet}}\) | [H] |
1.1 — 临界波长
解离过程为 \[ \ce{Cl2(g) -> 2Cl^{\bullet}(g)}. \]
将给定的摩尔解离焓作为所需的解离能,则一个被吸收的光子必须至少提供以下能量: \[ E_{\mathrm{diss}}=\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}}. \]
由于光子的能量为 \(E=hc/\lambda\),临界条件满足 \[ \frac{hc}{\lambda_{\mathrm{crit}}} =\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}}. \]
因此, \[ \lambda_{\mathrm{crit}} =\frac{N_{\mathrm A}hc}{\Delta H} =\frac{N_{\mathrm A}hc} {243.6\times10^3\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =4.91078\times10^{-7}\ \mathrm m. \]
由此得 \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{crit}}=491.1\ \mathrm{nm}}. \]
1.2 — 较短和较长的波长
光子能量与波长成反比: \[ E=\frac{hc}{\lambda}. \]
因此:
- 当 \(\lambda<\lambda_{\mathrm{crit}}\) 时,光子的能量大于解离所需的最低能量。只要光子通过适当的跃迁被吸收,从能量角度看,解离就能够发生。
- 当 \(\lambda>\lambda_{\mathrm{crit}}\) 时,光子的能量不足。在此处所考虑的单光子过程中,它无法使分子解离。
1.3 — 临界波长光子的能量
\[ E_{\mathrm{crit}} =\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}} =\frac{243.6\times10^3\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}}. \]
因此, \[ \boxed{E_{\mathrm{crit}}=4.045\times10^{-19}\ \mathrm J}. \]
1.4 — 量子产率
照射期间吸收的能量为 \[ Q_{\mathrm{abs}} =0.02Pt =0.02(10\ \mathrm{J\,s^{-1}})(2.5\ \mathrm s) =0.50\ \mathrm J. \]
在灯的发射波长下,每个光子的能量为 \[ E_{\mathrm{UV}} =\frac{hc}{253.6\times10^{-9}\ \mathrm m} =7.833\times10^{-19}\ \mathrm J. \]
因此,吸收的光子数为 \[ N_{\mathrm{abs}} =\frac{Q_{\mathrm{abs}}}{E_{\mathrm{UV}}} =\frac{0.50}{7.833\times10^{-19}} =6.383\times10^{17}. \]
生成的氯化氢分子数为 \[ N_{\ce{HCl}} =n_{\ce{HCl}}N_{\mathrm A} =(65\times10^{-3}\ \mathrm{mol})N_{\mathrm A} =3.914\times10^{22}. \]
根据题目中的定义, \[ \Phi =\frac{N_{\ce{HCl}}}{N_{\mathrm{abs}}} =\frac{3.914\times10^{22}}{6.383\times10^{17}} =6.132\times10^4. \]
由此得 \[ \boxed{\Phi\approx6.1\times10^4 \ \text{个氯化氢分子/每个吸收的光子}}. \]
无需使用容器体积,因为计算采用的是吸收的总能量和产物的总物质的量。
1.5 — 解释与反应机理
量子产率非常大,表明一个被吸收的光子通过自由基链反应引起了许多次生成产物的反应。
链引发: \[ \ce{Cl2 ->[h\nu] 2Cl^{\bullet}}. \]
光使氯—氯键发生均裂:每个氯原子各获得一个成键电子。
链增长: \[ \ce{Cl^{\bullet} + H2 -> HCl + H^{\bullet}}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + Cl2 -> HCl + Cl^{\bullet}}. \]
首先,氯自由基从氢分子中夺取一个氢原子。随后,所生成的氢自由基从氯分子中夺取一个氯原子。
在每次原子夺取过程中,进攻的自由基的未成对电子与断裂键中的一个电子形成新键;原键中的另一个电子留在以自由基形式释放的原子上。SMILES 并未表示这些电子的转移。
将两个链增长步骤相加,得到 \[ \boxed{\ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}}. \]
氯自由基得到再生,因此这一循环无需另一个光子就能重复多次。
链终止: 自由基通过复合而消失,例如, \[ \ce{Cl^{\bullet} + Cl^{\bullet} + M -> Cl2 + M}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + Cl^{\bullet} + M -> HCl + M}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + H^{\bullet} + M -> H2 + M}. \]
这里,\(\ce{M}\) 表示带走多余能量的第三碰撞体。自由基也可能在容器壁上消失。
由于在链终止之前链增长会发生多次,每吸收一个光子就能生成约 \(6.1\times10^4\) 个氯化氢分子。光子引发链反应;链反应持续进行时释放的能量由总的放热化学反应提供。
解答已与官方解答核对。本解答与官方解答不同之处,均为官方解答中的错误或印刷错误。
IChO 1980 · Теоретическая задача 1
Фотодиссоциация хлора и квантовый выход реакции H2-Cl2
Диссоциация (молекулярного) хлора — эндотермический процесс, \(\Delta H = 243.6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
Диссоциацию можно также вызвать действием света.
1.1 При какой длине волны можно ожидать диссоциирующего действия света?
1.2 Можно ли также добиться этого эффекта с помощью света, длина волны которого меньше или больше рассчитанной критической длины волны?
1.3 Какова энергия фотона с критической длиной волны?
При облучении смеси газообразных хлора и водорода светом, способным вызвать диссоциацию хлора, образуется хлороводород. Смесь облучают ртутной УФ-лампой (\(\lambda = 253.6\ \mathrm{nm}\)). Потребляемая мощность лампы составляет 10 Вт. Газовая смесь (в сосуде объёмом 10 литров) поглощает 2 % подводимой энергии. За 2.5 секунды облучения образуется 65 миллимолей \(\ce{HCl}\).
1.4 Каков квантовый выход (= число молекул продукта на один поглощённый фотон)?
1.5 Как можно (качественно) объяснить полученное значение? Опишите механизм реакции.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 1.1 Критическая длина волны равна \(\boxed{\lambda_{\mathrm{crit}} = 491.1\ \mathrm{nm}}\); это максимальная длина волны, при которой выполняется требование к энергии диссоциации.
- 1.2 Свет с меньшей длиной волны может вызвать диссоциацию, если он поглощается. Свет с большей длиной волны не может обеспечить достаточную энергию для однофотонной диссоциации.
- 1.3 \(\boxed{E_{\mathrm{crit}} = 4.045\times10^{-19}\ \mathrm{J}}\) на один фотон.
- 1.4 \(\boxed{\Phi \approx 6.1\times10^4}\) молекул хлороводорода (
[H]Cl) на один поглощённый фотон. - 1.5 Реакция протекает по радикальному цепному механизму. Фотодиссоциация инициирует цепи, при продолжении которых многократно образуется хлороводород и регенерируются радикалы — носители цепи. Рекомбинация радикалов приводит к обрыву цепей.
Решение
Используем стандартные константы \[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \] \[ N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}. \]
Ниже используются следующие химические частицы:
| Название | Формула | SMILES |
|---|---|---|
| Молекулярный хлор | \(\ce{Cl2}\) | ClCl |
| Молекулярный водород | \(\ce{H2}\) | [H][H] |
| Хлороводород | \(\ce{HCl}\) | [H]Cl |
| Атом хлора (радикал хлора) | \(\ce{Cl^{\bullet}}\) | [Cl] |
| Атом водорода (радикал водорода) | \(\ce{H^{\bullet}}\) | [H] |
1.1 — Критическая длина волны
Диссоциация описывается уравнением \[ \ce{Cl2(g) -> 2Cl^{\bullet}(g)}. \]
Принимая заданную молярную энтальпию диссоциации за необходимую энергию диссоциации, получаем, что один поглощённый фотон должен сообщить энергию не менее \[ E_{\mathrm{diss}}=\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}}. \]
Поскольку энергия фотона равна \(E=hc/\lambda\), для порогового значения выполняется соотношение \[ \frac{hc}{\lambda_{\mathrm{crit}}} =\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}}. \]
Следовательно, \[ \lambda_{\mathrm{crit}} =\frac{N_{\mathrm A}hc}{\Delta H} =\frac{N_{\mathrm A}hc} {243.6\times10^3\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =4.91078\times10^{-7}\ \mathrm m. \]
Таким образом, \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{crit}}=491.1\ \mathrm{nm}}. \]
1.2 — Меньшие и большие длины волн
Энергия фотона обратно пропорциональна длине волны: \[ E=\frac{hc}{\lambda}. \]
Следовательно:
- При \(\lambda<\lambda_{\mathrm{crit}}\) энергия фотона превышает минимальную энергию диссоциации. Диссоциация энергетически возможна при условии, что фотон поглощается при подходящем переходе.
- При \(\lambda>\lambda_{\mathrm{crit}}\) энергия фотона недостаточна. Он не может вызвать диссоциацию молекулы в рассматриваемом здесь однофотонном процессе.
1.3 — Энергия фотона с критической длиной волны
\[ E_{\mathrm{crit}} =\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}} =\frac{243.6\times10^3\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}}. \]
Отсюда \[ \boxed{E_{\mathrm{crit}}=4.045\times10^{-19}\ \mathrm J}. \]
1.4 — Квантовый выход
Энергия, поглощённая за время облучения, равна \[ Q_{\mathrm{abs}} =0.02Pt =0.02(10\ \mathrm{J\,s^{-1}})(2.5\ \mathrm s) =0.50\ \mathrm J. \]
При длине волны излучения лампы энергия одного фотона составляет \[ E_{\mathrm{UV}} =\frac{hc}{253.6\times10^{-9}\ \mathrm m} =7.833\times10^{-19}\ \mathrm J. \]
Следовательно, число поглощённых фотонов равно \[ N_{\mathrm{abs}} =\frac{Q_{\mathrm{abs}}}{E_{\mathrm{UV}}} =\frac{0.50}{7.833\times10^{-19}} =6.383\times10^{17}. \]
Число образовавшихся молекул хлороводорода равно \[ N_{\ce{HCl}} =n_{\ce{HCl}}N_{\mathrm A} =(65\times10^{-3}\ \mathrm{mol})N_{\mathrm A} =3.914\times10^{22}. \]
Используя определение из условия, получаем \[ \Phi =\frac{N_{\ce{HCl}}}{N_{\mathrm{abs}}} =\frac{3.914\times10^{22}}{6.383\times10^{17}} =6.132\times10^4. \]
Таким образом, \[ \boxed{\Phi\approx6.1\times10^4 \ \text{молекул хлороводорода на один поглощённый фотон}}. \]
Объём сосуда не требуется, поскольку в расчёте используются полная поглощённая энергия и общее количество образовавшегося продукта.
1.5 — Объяснение и механизм реакции
Очень большой квантовый выход показывает, что один поглощённый фотон приводит к множеству реакций образования продукта в ходе радикального цепного процесса.
Инициирование: \[ \ce{Cl2 ->[h\nu] 2Cl^{\bullet}}. \]
Свет вызывает гомолитический разрыв связи хлор–хлор: каждому атому хлора достаётся по одному электрону связи.
Продолжение цепи: \[ \ce{Cl^{\bullet} + H2 -> HCl + H^{\bullet}}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + Cl2 -> HCl + Cl^{\bullet}}. \]
Сначала радикал хлора отрывает атом водорода от молекулы водорода. Затем образовавшийся радикал водорода отрывает атом хлора от молекулы хлора.
При каждом отрыве неспаренный электрон атакующего радикала и один электрон разрываемой связи образуют новую связь; второй электрон связи остаётся на атоме, высвобождающемся в виде радикала. Эти перемещения электронов не отображаются в SMILES.
Сложение двух стадий продолжения цепи даёт \[ \boxed{\ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}}. \]
Радикал хлора регенерируется, поэтому этот цикл может повторяться многократно без поглощения ещё одного фотона.
Обрыв цепи: радикалы исчезают в результате рекомбинации, например, \[ \ce{Cl^{\bullet} + Cl^{\bullet} + M -> Cl2 + M}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + Cl^{\bullet} + M -> HCl + M}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + H^{\bullet} + M -> H2 + M}. \]
Здесь \(\ce{M}\) обозначает третью частицу — участника столкновения, которая уносит избыток энергии. Радикалы могут также исчезать на стенках сосуда.
Поскольку стадии продолжения цепи многократно повторяются до её обрыва, на один поглощённый фотон может образоваться примерно \(6.1\times10^4\) молекул хлороводорода. Фотон инициирует цепь; источником энергии, выделяющейся при её продолжении, служит суммарная экзотермическая химическая реакция.
Решение проверено по официальному решению. Там, где это решение расходится с официальным, в официальном решении есть ошибка или опечатка.
IChO 1980 · مسألة نظرية 1
التفكك الضوئي للكلور والمردود الكمي لتفاعل H2-Cl2
تفكك الكلور (الجزيئي) عملية ماصة للحرارة، \(\Delta H = 243.6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
يمكن أيضًا إحداث التفكك بتأثير الضوء.
1.1 عند أي طول موجي يمكن توقّع أن يُحدث الضوء تفككًا؟
1.2 هل يمكن أيضًا الحصول على هذا التأثير باستخدام ضوء طوله الموجي أقصر أو أطول من الطول الموجي الحرج المحسوب؟
1.3 ما طاقة الفوتون ذي الطول الموجي الحرج؟
عندما يسقط ضوء قادر على إحداث تفكك الكلور على مزيج من غازي الكلور والهيدروجين، يتكوّن كلوريد الهيدروجين. يُعرَّض المزيج للإشعاع باستخدام مصباح زئبقي للأشعة فوق البنفسجية (\(\lambda = 253.6\ \mathrm{nm}\)). تبلغ القدرة الداخلة إلى المصباح 10 واط. يمتص المزيج الغازي (في وعاء سعته 10 لترات) نسبة 2 % من الطاقة المزوَّدة. خلال 2.5 ثانية من التشعيع، يتكوّن 65 مليمولًا من \(\ce{HCl}\).
1.4 ما مقدار المردود الكمي (= عدد جزيئات الناتج لكل فوتون ممتص)؟
1.5 كيف يمكن تفسير القيمة التي تم الحصول عليها (تفسيرًا نوعيًا)؟ صِف آلية التفاعل.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 1.1 الطول الموجي الحرج هو \(\boxed{\lambda_{\mathrm{crit}} = 491.1\ \mathrm{nm}}\)، وهو أكبر طول موجي يسمح به شرط طاقة التفكك.
- 1.2 يمكن للأطوال الموجية الأقصر أن تُحدث التفكك إذا امتُصّت. أما الأطوال الموجية الأطول فلا تستطيع توفير طاقة كافية للتفكك بفوتون واحد.
- 1.3 \(\boxed{E_{\mathrm{crit}} = 4.045\times10^{-19}\ \mathrm{J}}\) لكل فوتون.
- 1.4 \(\boxed{\Phi \approx 6.1\times10^4}\) جزيئًا من كلوريد الهيدروجين (
[H]Cl) لكل فوتون ممتص. - 1.5 يجري التفاعل بآلية سلسلة جذرية. يبدأ التفكك الضوئي سلاسلَ تُنتج خطواتُ استمرارها كلوريد الهيدروجين بصورة متكررة وتُجدِّد الجذور الحاملة للسلسلة. وينهي اتحاد الجذور من جديد هذه السلاسل.
الحل
نستخدم الثوابت القياسية \[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \] \[ N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}. \]
الأنواع الكيميائية المستخدمة أدناه هي:
| الاسم | الصيغة | SMILES |
|---|---|---|
| الكلور الجزيئي | \(\ce{Cl2}\) | ClCl |
| الهيدروجين الجزيئي | \(\ce{H2}\) | [H][H] |
| كلوريد الهيدروجين | \(\ce{HCl}\) | [H]Cl |
| ذرة الكلور (جذر الكلور) | \(\ce{Cl^{\bullet}}\) | [Cl] |
| ذرة الهيدروجين (جذر الهيدروجين) | \(\ce{H^{\bullet}}\) | [H] |
1.1 — الطول الموجي الحرج
يتمثل التفكك في \[ \ce{Cl2(g) -> 2Cl^{\bullet}(g)}. \]
باعتبار إنثالبي التفكك المولي المعطى طاقةَ التفكك المطلوبة، يجب أن يوفّر فوتون ممتص واحد طاقة لا تقل عن \[ E_{\mathrm{diss}}=\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}}. \]
بما أن طاقة الفوتون هي \(E=hc/\lambda\)، فإن عتبة التفكك تحقق \[ \frac{hc}{\lambda_{\mathrm{crit}}} =\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}}. \]
وعليه، \[ \lambda_{\mathrm{crit}} =\frac{N_{\mathrm A}hc}{\Delta H} =\frac{N_{\mathrm A}hc} {243.6\times10^3\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =4.91078\times10^{-7}\ \mathrm m. \]
إذن، \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{crit}}=491.1\ \mathrm{nm}}. \]
1.2 — الأطوال الموجية الأقصر والأطول
تتناسب طاقة الفوتون عكسيًا مع الطول الموجي: \[ E=\frac{hc}{\lambda}. \]
وبناءً على ذلك:
- عندما يكون \(\lambda<\lambda_{\mathrm{crit}}\)، تكون طاقة الفوتون أكبر من الحد الأدنى لطاقة التفكك. ويكون التفكك ممكنًا من حيث الطاقة، بشرط امتصاص الفوتون في انتقال مناسب.
- عندما يكون \(\lambda>\lambda_{\mathrm{crit}}\)، تكون طاقة الفوتون غير كافية. ولا يمكنه تفكيك الجزيء في العملية القائمة على فوتون واحد التي نتناولها هنا.
1.3 — طاقة فوتون ذي الطول الموجي الحرج
\[ E_{\mathrm{crit}} =\frac{\Delta H}{N_{\mathrm A}} =\frac{243.6\times10^3\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}}. \]
ومن ثم، \[ \boxed{E_{\mathrm{crit}}=4.045\times10^{-19}\ \mathrm J}. \]
1.4 — المردود الكمي
الطاقة الممتصة أثناء التشعيع هي \[ Q_{\mathrm{abs}} =0.02Pt =0.02(10\ \mathrm{J\,s^{-1}})(2.5\ \mathrm s) =0.50\ \mathrm J. \]
عند الطول الموجي للمصباح، تكون الطاقة لكل فوتون \[ E_{\mathrm{UV}} =\frac{hc}{253.6\times10^{-9}\ \mathrm m} =7.833\times10^{-19}\ \mathrm J. \]
وعليه، فإن عدد الفوتونات الممتصة هو \[ N_{\mathrm{abs}} =\frac{Q_{\mathrm{abs}}}{E_{\mathrm{UV}}} =\frac{0.50}{7.833\times10^{-19}} =6.383\times10^{17}. \]
عدد جزيئات كلوريد الهيدروجين المتكوّنة هو \[ N_{\ce{HCl}} =n_{\ce{HCl}}N_{\mathrm A} =(65\times10^{-3}\ \mathrm{mol})N_{\mathrm A} =3.914\times10^{22}. \]
باستخدام التعريف الوارد في السؤال، \[ \Phi =\frac{N_{\ce{HCl}}}{N_{\mathrm{abs}}} =\frac{3.914\times10^{22}}{6.383\times10^{17}} =6.132\times10^4. \]
إذن، \[ \boxed{\Phi\approx6.1\times10^4 \ \text{جزيئًا من كلوريد الهيدروجين لكل فوتون ممتص}}. \]
لا حاجة إلى حجم الوعاء، لأن الحساب يستخدم الطاقة الكلية الممتصة والكمية الكلية للناتج.
1.5 — التفسير وآلية التفاعل
يُظهر المردود الكمي الكبير جدًا أن فوتونًا ممتصًا واحدًا يؤدي إلى تفاعلات عديدة مُكوِّنة للناتج عبر سلسلة جذرية.
بدء السلسلة: \[ \ce{Cl2 ->[h\nu] 2Cl^{\bullet}}. \]
يُحدث الضوء انشطارًا متماثلًا لرابطة الكلور–الكلور: يذهب إلكترون واحد من إلكتروني الرابطة إلى كل ذرة كلور.
استمرار السلسلة: \[ \ce{Cl^{\bullet} + H2 -> HCl + H^{\bullet}}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + Cl2 -> HCl + Cl^{\bullet}}. \]
أولًا، ينتزع جذر الكلور ذرة هيدروجين من الهيدروجين الجزيئي. ثم ينتزع جذر الهيدروجين الناتج ذرة كلور من الكلور الجزيئي.
في كل عملية انتزاع، يُشكِّل الإلكترون غير المزدوج للجذر المهاجم وإلكترون واحد من الرابطة المكسورة الرابطةَ الجديدة؛ ويبقى إلكترون الرابطة الآخر على الذرة التي تتحرر على هيئة جذر. ولا تُصوِّر تمثيلات SMILES هذه الانتقالات الإلكترونية.
بجمع خطوتي استمرار السلسلة نحصل على \[ \boxed{\ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}}. \]
يتجدد جذر الكلور، ولذلك يمكن أن تتكرر هذه الدورة مرات عديدة دون فوتون آخر.
إنهاء السلسلة: تُزال الجذور باتحادها من جديد، على سبيل المثال، \[ \ce{Cl^{\bullet} + Cl^{\bullet} + M -> Cl2 + M}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + Cl^{\bullet} + M -> HCl + M}, \] \[ \ce{H^{\bullet} + H^{\bullet} + M -> H2 + M}. \]
يرمز \(\ce{M}\) هنا إلى شريك ثالث في التصادم يحمل الطاقة الزائدة بعيدًا. وقد تُفقَد الجذور أيضًا عند جدران الوعاء.
نظرًا إلى تكرار خطوات استمرار السلسلة مرات عديدة قبل إنهائها، يمكن أن يتكوّن نحو \(6.1\times10^4\) جزيئًا من كلوريد الهيدروجين لكل فوتون ممتص. يبدأ الفوتون السلسلة؛ أما التفاعل الكيميائي الكلي الطارد للحرارة فيوفّر الطاقة المنطلقة أثناء استمرارها.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي. حيثما يختلف هذا الحل عن الحل الرسمي، يحتوي الحل الرسمي على خطأ أو خطأ مطبعي.